[发明专利]用于清洁、快速固结合金的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及在真空条件下用于熔化和雾化金属及合金(此处总称为“合 金”)以产生清洁的雾化熔融材料的装置和方法，该融熔材料能够快速固结 为或粉末或预制件。固态预制件可以使用象例如喷射成型和成核铸造的技术 由雾化的熔融材料制成。所收集的粉末可以被进一步加工成为不同的生产 件。作为一个实例，由该装置和方法制成的粉末可以被收集、集中到容器内、 并被进一步加工使其固结为固态预制件。

背景技术

目前用以生产粉末金属制品的工艺通常采用常规的流体雾化技术来生 产合金粉末。例如，常规的流体雾化技术被用来生产合金粉末，以进一步生 产一般的压制件和烧结件。合金粉末也被用于更为尖端的场合，比如用于制 备用来制造关键的航天构件的材料。

在一个常规的流体雾化技术工艺中，高压气体被撞击在熔融材料或合金 流束上，将流束物理粉碎为全部的或部分的微小熔融材料微粒。随着熔融材 料微粒散发热量，它们凝结，然后被收集为固态粉末。在特定的关键应用中， 比如在某些航天构件的制造中，由几个少量的雾化流束形成的多批雾化粉末 被混合，然后混合物被细筛为较小的尺寸(例如，-325网格)，集中到金属 容器中，并通过冲压或压实容器和其中的粉末物而被固结成为合适的固态件 (预制件)。然后，固态件能够通过机械加工和其它常规技术被进一步加工 成为预定的形状和特征。这种工艺的优点包括：清洁；成分可控并一致；及 固态件具有相对小的粒度，这对于用该固态件制造的构件的性能可以是关键 的。

常规工艺的步骤包括：熔化；雾化；混合；细筛；装箱；和固结，其中 存在着几处缺陷。例如，由几个少量的熔化物形成的雾化粉末被用于形成混 合粉末。这是由于在粉末形成期间熔化物必须通过相对小的孔流束出，并且 流束出率显著小于铸造或常规熔化工艺中的流束出率。因此，在雾化之前， 合金必须在一定延长期内保持熔化状态，由于元素的挥发和与熔融容器的陶 瓷(ceramic)衬里的反应，这将导致合金的化学成分的恶化。几个少量的熔 化物被雾化以最小化任一个熔化物的成分的恶化程度。因此，上述粉末形成 工艺通常是费时且耗资巨大。另外，通常在常规的陶瓷衬里的熔炉内生产熔 化物，因此，最终生成的粉末经常被氧化物所污染。一旦形成粉末，将通过 数个步骤对它们进行处理，每一个步骤都具有额外污染的可能性。另外，由 于上述工艺包括数个步骤，通常费用巨大。

各种技术已经被开发出以具体针对通过粉末雾化用熔化物形成固结件 的工艺中的各个步骤。几个已经开发出的熟知的熔化技术采用真空环境，而 不使用常规的陶瓷衬里熔炉。相对于在常规的陶瓷衬里熔炉形成的熔化物， 这些技术形成的熔化物中的氧化物污染显著减少。例如，电子束(EB)熔化 技术现在已经众所周知，并在技术文献和专利文献中被广为讨论。另一个实 例是真空双电极重熔(VADER，vacuum double-electrode remelting)工艺， 这已经为本领域所知，并在例如美国专利4,261,412中进行了讨论。其它已 知的在无陶瓷熔化装置中形成熔融合金流束的技术在例如美国专利 5,325,906和5,348,566中公开。’906专利公开了一种组合了耦接于冷感应引 导(CIG，cold induction guide)的电渣重熔(ESR，electroslag remelting)装 置的熔化装置。在’906专利描述的一个实施例中，通过在ESR装置中熔化 自耗电极生产出熔融精炼材料流束。上述熔融流束在紧密耦接的冷感应引导 (CIG)的保护下与周围环境隔离而向下流束至喷雾形成装置。’566专利同 样公开了一种组合了紧密耦接于CIG的ESR装置的装置，但还公开了用以 控制熔融材料通过CIG的流束动的技术。本技术包括：例如，通过冷指(cold finger)装置本身和通过邻近的气冷装置控制向CIG内的合金提供感应热的 速率，并控制CIG中的熔融材料的散热率。